Неустойчивость работы. Помпаж.
В системах, состоящих из центробежных или осевых машин, подключенных к сети, могут возникать изменения режимов, обусловленные случайными срывами вихрей с кромок лопастей, резким изменением потребляемого расхода и другими флуктуациями. Такие причины выводят систему из «равновесного» состояния. Если при снятии этих возмущающих причин система приходит в исходное состояние, то она устойчива. При определенном сочетании форм характеристик машины и сети снятие возмущений не приводит к устойчивому равновесию, и в системе возбуждаются самопроизвольные колебания подачи, напора и мощности машины, т. е. автоколебания, или помпаж. Помпаж происходит у насосов, имеющих кривую H = f (Q) с западающей левой ветвью (тихоходные центробежные насосы) или с седлообразной (осевые насосы).
Для объяснения причины помпажа рассмотрим примеры (рис. 2.12). Для насоса, имеющего падающую характеристику (рис. 2.12, а), при случайном увеличении подачи на величину dQ напор, необходимый для работы сети (точка 1), оказывается больше напора насоса (точка 2), сеть как бы тормозит работу насоса, и система стремится вернуться в первоначальный режим (точка А). Если же произошло случайное уменьшение подачи на величину dQ, то напор насоса (точка 3) превысит сопротивление сети (точка 4) и подача насоса увеличится, а режим работы вернется к точке А. Такая работа насоса называется устойчивой, а условие устойчивости имеет вид
|
|
|
. (2.18)
| 
|
| а | б |
Рис. 2.12. К анализу устойчивой работы насоса в сети:
а) насос с падающей характеристикой;
б) насос с седлообразной характеристикой;
H1 — характеристика насоса; H2 — характеристика сети
Для насоса с седлообразной характеристикой (рис. 2.12, б) это условие не выполняется в точке А, поэтому режим работы в этой точке неустойчивый, а в точках В и С — устойчивый.
Поршневые насосы: устройство, принцип действия, классификация, маркировка. Схемы насосов простого, двойного, тройного и четверного действия. Теоретическая мгновенная производительность. Средняя и действительная производительность насосов.
Поршневой насос 1 (рис. 2.29) состоит из цилиндра 1, в котором с частотой n совершает возвратно-поступательные движения поршень. При всасывании открывается клапан 2, при нагнетании — клапан 3.
Средняя производительность идеального поршневого насоса простого действия
Qт=S × L × n, (6.3.2.22)
где S — площадь поперечного сечения цилиндра; L — ход поршня.
Средняя производительность реального насоса
Q=Qт × h об, (6.3.2.23)
где hоб — объемный КПД насоса, учитывающий утечки в клапанах (в клапанах — обусловленные их неплотным прилеганием к седлу и запаздыванием закрытия в сопряжении цилиндр—поршень).
|
|
|
Рис. 2.29. Схема поршневого насоса простого действия с воздушными колпаками:
1 — корпус насоса; 2 — всасывающий клапан;
3 — нагнетательный клапан; 4 — воздушный колпак
на всасывающей линии; 5 — воздушный колпак на нагнетательной линии
Для сглаживания пульсаций давления и подачи жидкости, обусловленных неравномерностью мгновенной подачи (рис. 2.30, б), поршневые насосы оборудуют своеобразными накопителями энергии и жидкости — воздушными колпаками: 4 — на линии всасывания и 5 — на линии нагнетания (рис. 2.29).
При этом, например, в колпаке на всасывающей линии происходят следующие процессы. При движении поршня вправо идет процесс всасывания, причем наибольшая подача жидкости в насос должна происходить при максимальной скорости поршня, т. е. в середине его хода, а наименьшая — в левой и правой мертвых точках. Жидкость во всасывающем трубопроводе должна была бы тоже изменять свою скорость, на что требуются дополнительные затраты энергии. Однако благодаря наличию колпака под действием перепада давлений в нем и в рабочей камере насоса при максимальной подаче значительная часть жидкости поступает в насос из колпака, при минимальной подаче запас жидкости в колпаке пополняется из линии всасывания. Таким образом, воздух, сжимаясь, накапливает энергию, одновременно в колпаке накапливается жидкость. При «дефиците» жидкости, поступающей из всасывающего трубопровода, сжатый воздух в колпаке, расширяясь, выталкивает жидкость в насос, восполняя этот «дефицит». В результате снижаются потери энергии (т. е. возрастает действительный напор насоса), а также увеличивается допустимая высота установки насоса.
|
|
|
Аналогичные явления происходят и в нагнетательном воздушном колпаке, роль которого заключается в выравнивании подачи жидкости потребителю.
Средний объем воздуха в колпаках определяется требованиями, предъявляемыми к неравномерности давления. Эти требования характеризуются коэффициентом
, (2.24)
где рmax, рmin, рср — максимальное, минимальное, среднее давления газа в колпаке.
Cредний объем воздуха в колпаках должен быть:
- для насосов простого действия
Vср1= 0,55 
; (2.25)
- для насосов двойного действия
Vср2= 0,215 ; (2.26)
- для насосов тройного действия
Vср3= 0,009 , (2.27)
причем для всасывающих колпаков обычно принимают 
, для нагнетательных — 
.
Рис. 2.30. Схема поршневого насоса двойного действия:
а) 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — всасывающие клапаны;
4 — нагнетательные клапаны; 5 — шток;
б) график мгновенной подачи q как функции времени t
|
|
|
Схема насоса двойного действия и графики мгновенной подачи q = cS (c — мгновенная скорость движения поршня) показаны на рис. 2.30. Особенностью насоса двойного действия является то, что в нем задействованы обе торцевых поверхности поршня, поэтому его производительность почти вдвое выше, чем у насоса простого действия:
Q2= (2S – Sш)L × n × h об, (2.28)
где Sш — площадь поперечного сечения штока.
Кроме того, за счет более высокой равномерности подачи (когда в правой рабочей камере происходит всасывание, в левой идет нагнетание, и наоборот) объем воздушных колпаков также уменьшается (см. выражения (2.25) и (2.26)).
Характеристика идеального насоса (без утечек) представляет собой прямую линию Q = const в координатах
Н—Q. В действительности при увеличении давления в в рабочей камере возрастают и утечки, связанные с напором соотношением 
, где k — коэффициент, обратный гидравлическому сопротивлению уплотнений насоса (рис. 2.32, линии 1 и 2). 
Теоретически подача насоса одностороннего действия равна произведению площади поршня или плунжера F на его ход S и на число циклов (или оборотов кривошипа) за единицу времени:
QT =FSn. (5.2)
В действительности из-за запаздывания закрытия и открытия клапанов при всасывании и нагнетании, а также из-за пропуска жидкости через неплотности уплотнительных колец или сальников действительная подача Q, м3/мин, всегда меньше теоретической:
Q =ηFSn, м3/мин, или Q =60ηFSn, м3/ч, (5.3)
где η— объемный КПД насоса (или коэффициент наполнения, в зависимости от типа и размера насоса равный 0,85—0,99); n— частота вращения кривошипа, мин-1.
Как видно из формул (5.2) и (5.3), подача возвратно-поступательных насосов пропорциональна числу ходов рабочего органа и не зависит от напора, развиваемого насосом.
Действительная подача Q, м3/ч, поршневого насоса двустороннего действия определяется по формулеQ = η60(2F-f)Sn, (5.4)
где f — площадь сечения штока, соединяющего поршень или плунжер с кривошипом.
Подача Q, м3/ч, сдвоенного насоса двустороннего действия в 2 раза больше подачи обычного (одиночного) насоса двустороннего действия, т. е.
Q = 2η60(2F — f)Sn. (5.5)
Действительная подача Q, м3/ч, строенного насоса равна Q = η60*3FSn=l80ηFSn. (5.6)
Поршневые насосы: теоретическая и рабочая индикаторная диаграмма. Индикаторная и полезная мощность насосов. Высота всасывания и рабочие характеристики поршневых насосов. Регулирование подачи поршневых насосов.
Величина высоты всасывания насоса HВС не может быть назначена произвольно. Из уравнения Бернулли определяем
Таким образом, HВС увеличивается с возрастанием давления p0 и уменьшается с увеличением давления во всасывающем патрубке pВС, скорости и потерь напора. Кроме того, часть давления p0 расходуется на пре- одоление силы упругости, образующейся при разрежении паров, т.е. на преодоление давления pt насыщенного пара перекачиваемой жидкости при температуре всасывания. Упругость паров сильно растет с увеличением температуры, что значительно снижает давления во всасывающем пат рубке pВС и при 70 °С поднять воду в насос за счет атмосферного давления невозможно, поэтому воду надо подводить к насосу самотеком или под избыточным давлением. Практически высоту всасывания насоса HВС выбирают в пределах 5…6 м при скорости движения жидкости во всасывающей трубе около 0,8...1,0 м/с. Для устойчивой работы насоса давление в его всасывающем патрубке должно быть больше давления насыщенного пара жидкости при температуре всасывания (pВС > pt) , т. к. в противном случае жидкость в насосе начнет кипеть. При этом в результате интенсивного выделения из жидкости паров возможен разрыв потока. Влияет на допустимую высоту всасывания и явление кавитации. Кавитация является частным случаем кипения жидкости, который возникает при высоких скоростях вращения рабочих колес центробежных насосов и при перекачивании горячих жидкостей вследствие местных понижений давления до давления насыщенного пара. Пузырьки пара, образовавшиеся при вскипании жидкости, попадают вместе с жидкостью в область более высоких давлений, где мгновенно конденсируются. Жидкость заполняет полости, в которых находился сконденсировавшийся пар, что сопровождается гидравлическими ударами, шумом и сотрясением насоса. Кавитация приводит к быстрому разрушению насоса за счет гидравлического удара и усиления коррозии в период парообразования. Кавитация делает необходимым уменьшение допустимой высоты всасывания на величину кавитационного запаса.
Регулирование подачи поршневых насосов необходимо как на длительный период работы, так и кратковременно.
При регулировании подачи пользуются различными способами: воздействием на привод насоса, воздействием на его коммуникации либо изменением конструктивных размеров насоса.
Из формулы подачи насоса Q=FSnzŋ0 следует, что изменять подачу можно изменением числа рабочих камер z, изменением диаметра D 
или длины хода поршня S, переходом на другое число ходов n. Также можно изменить подачу, влияя на объемный коэффициент ŋ0, главным образом на его составляющую – коэффициент наполнения.Число рабочих камер можно изменить путем снятия всасывающих клапанов с одной из камер.
Замена цилиндровых втулок в комплекте с поршнями большого диаметра на меньший применяется при увеличении давления насоса. Этот способ широко используется при бурении скважин, когда увеличение глубины бурения требует преодоления насосом гидравлических сопротивлений с сохранением установленной мощности.
Изменение длины хода поршня достигается перестановкой пальца кривошипа. Этот способ широко используется при глубинно-насосной добыче нефти на станках - качалках.
Регулирование подачи изменением числа двойных ходов поршня требует установки между двигателем насосом различных редукторов (коробки перемены скоростей, турбопередачи) либо применения специальных многоскоростных двигателей.
Во всех случаях характеристики насосов будут иметь вид, показанный на рисунке 6.31. Если построить на рабочих характеристиках p-Q насоса гидравлическую характеристику трубопровода, то на пересечениях кривых получим различные рабочие точки А1, А2, АЗ и т.д.
Все перечисленные способы обеспечивают ступенчатое регулирование.
Рисунок 6.31
Способ присоединения к цилиндру насоса емкости, заполненной сжатым воздухом, позволяет осуществить непрерывное регулирование, если обеспечить изменение давления в емкости в пределах от давления всасывания до давления нагнетания.
а б
Рисунок 6.32
На рисунке 6.32, а представлена схема цилиндра насоса с воздушной емкостью давления, в которой равно или больше давления всасывания. Индикаторная диаграмма (рисунок 6.32,б) показывает, что если давление ре = рв, то цилиндр будет заполняться жидкостью полностью, и поршень в процессе нагнетания будет вытеснять объем V. При давлении воздуха ре > рв поршень проходит некоторый путь, освобождая объем V-V ΄ для снижения давления воздуха до давления всасывания. Следовательно, объем жидкости V', поступающий в цилиндр в процессе всасывания, уменьшается и пропорционально снижается подача насоса за счет уменьшения степени наполнения цилиндра.
В некоторых случаях применяется экономически невыгодный способ регулирования подачи насоса путем перепуска части жидкости через байпас с напорного трубопровода в подводящий (рисунок 6.33).
На графике представлены характеристики трубопровода и байпаса рБ; при их совместной работе ртр + рБ . На пересечении с характеристикой насоса получаем на характеристике трубопровода рабочую точку А, а на характеристике ртр+рБ.+А', когда подача насоса распределяется между трубопроводом и байпасом: 
.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 972; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!